Постоянный ток

Рис. 4.1. Структурная схема системы электроснабжения автомобиля

 

 

 

 

 

 

 

 

Если с помощью  какой-либо внешней силы вращать  якорь, то стороны витка будут  пересекать магнитное поле и в  обмотке якоря будет возникать  ЭДС:

e = 2Blu

где В — индукция; l — длина стороны витка; u — скорость перемещения пазовых сторон витка.

Рис. 4.2. Упрощенная схема генератора постоянного тока.

 

 

Так как длина  и скорость перемещения пазовых  сторон обмотки якоря неизменны, то е обмотки якоря прямо пропорциональна В, а форма графика ЭДС определяется законом распределения магнитной индукции S, размещенной в воздушном зазоре между поверхностью якоря и полюсом самого магнита. Так, например, магнитная индукция в точках зазора, лежащих на оси полюсов, имеет максимальные значения (рис. 4.3, а): под северным магнитным полюсом (N) — положительное значение и под южным магнитным полюсом (S) — отрицательное. В точках n и n’ лежащих на линии, проходящей через середину межполисного пространства, магнитная индукция равна нулю.

Допустим, что магнитная  индукция в воздушном зазоре рассматриваемой схемы распределяется синусоидально:B=B_maxsin£. Тогда ЭДС витка при вращении якоря будет также изменяться по синусоидальному закону. Угол а определяет изменение положения якоря относительно исходного положения. На рис. 4.3, а показан ряд положений витка abcd (обмотки) в различные моменты времени за один оборот якоря. При а, равном 360°, ЭДС якоря равна нулю, а при а, равном 270°, имеет максимальное значение, причем отрицательное. Таким образом, в обмотке якоря генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, и, следовательно, при подключении нагрузки в обмотке будет переменный ток (рис. 4.3, б, линия 7). За время второго полуоборота якоря, когда ЭДС и ток в обмотке якоря отрицательны, ЭДС и ток во внешней цепи генератора (в нагрузке) не меняют своего направления, т. е. остаются положительными, как и в течение первой половины оборота якоря.

Рис. 4.3. Принцип действия генератора постоянного тока: а — различные положения витка обмотки; б — преобразование переменного тока якоря в постоянный ток внешней цепи; 1 — ток в обмотке якоря; 2 — ток во внешней цепи

Действительно, при a = 90° щетка А соприкасается с коллекторной пластиной проводника d, расположенного под полюсом N, и имеет положительный потенциал, а щетка В — отрицательный, так как она соприкасается с пластиной коллектора, соединенной со стороной а витка, находящейся под полюсом S. При a = 270°, когда стороны а и d поменялись местами, щетки А и В сохраняют неизменной свою полярность, так как полукольца коллектора также поменялись местами и щетка А по-прежнему имеет контакт с коллекторной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полюсом N₉ а щетка В — с коллекторной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полюсом 5. В результате ток во внешней цепи не изменяет своего направления (рис. 4.3, б, линия 2), т. е. переменный ток обмотки якоря с помощью коллектора и щеток преобразуется в постоянный. Ток во внешней цепи постоянен лишь по па-правлению, а его величина изменяется, т. е. ток пульсирует.

Рис. 4.4. Генератор с двумя витками в обмотке якоря: a — схема генератора; б — пульсация тока; 1,2 — ток в обмотках якоря; 3 — ток во внешней цепи  

 

Пульсации тока и ЭДС значительно ослабляются, если обмотку якоря выполнить из большого числа равномерно распределенных по поверхности сердечника витков и увеличить соответственно число коллекторных пластин. Например, при двух витках на сердечнике якоря (четырех пазовых сторонах), оси которых смещены относительно друг друга на угол 90°, и четырех пластинах в коллекторе (рис. 4.4, а). В этом случае ток во внешней цепи генератора пульсирует с удвоенной частотой, но глубина пульсации значительно меньше (рис. 4.4, б). Если витков в обмотке якоря от 12 до 16, то ток на выходе генератора практически постоянен.

На рис. 4.5 представлена конструкция генератора постоянного тока.

 

 

 

Рис. 4.5. Генератор постоянного тока: 1 и 16 — крышки; 2 и 12 — шариковые подшипники; 3 и 10 —масленки; 4 — корпус; 5 — соединительный провод; 6 — защитная лента; 7 и 11 — стяжные болты; 8 — щеткодержатель положительной щетки; 9 и 25— уплотнительные манжеты; 13 — защитный колпачок; 14— отражательная шайба; 15— отрицательная щетка; 17 — щеткодержатель отрицательной щетки; 18— коллектор; 19 — обмотка якоря; 20— конец обмотки возбуждения; 21 — сердечник якоря; 22 — вал якоря; 23 — полюсный сердечник; 24 — катушка обмотки возбуждения; 26— крыльчатка шкива; 27— шкив.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.БЕСКОНТАКТНЫЕ  ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Двигатели постоянного тока обычного исполнения имеют ценное качество-возможность  широко и плавно регулировать скорость вращения. Вместе с тем они обладают существенным недостатком, обусловленным  щеточно-коллекторным узлом. Вполне естественно, что появилась мысль создать  двигатели, обладающие достоинствами  двигателей постоянного тока и свободные  от их недостатков. Такие двигатели  называются бесконтактными двигателями  постоянного тока.

Рис.5.1. Структурная схема бесконтактного двигателя постоянного тока

 
Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят  из трех элементов (рис. 5.1):

1) бесконтактного двигателя с m-фазной обмоткой на статоре и возбужденным ротором обычно в виде постоянного магнита;

2) датчика положения ротора (ДПР), выполненного в одном корпусе с двигателем и предназначенного для выработки сигналов управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора;

3) коммутатора, как правило, транзисторного, осуществляющего по сигналам ДПР коммутацию токов в обмотках статора.

П р и н ц и п  д е й с т в и я бесконтактного двигателя рассмотрим на примере упрощенной схемы (рис. 5.2). В ее состав входит двигатель с тремя обмотками на статоре, сдвинутыми в пространстве на 120 градусов и соединенными в звезду, ДПР с одним сигнальным элементом (СЭ) и тремя чувствительными элементами (ЧЭ) (их число равно числу обмоток статора), коммутатор, выполненный на трех транзисторах, работающих в ключевом режиме, т.е. в режиме "закрыт" или "открыт".

Рис. 5.2. Упрощенная принципиальная схема  бесконтактного двигателя постоянного  тока

В положении, показанном на рис.5.2, сигнальный элемент через чувствительный элемент "А" открывает транзистор Т_А. По обмотке А протекает ток I_А. Намагничивающая сила обмотки F_А взаимодействует с потоком постоянного магнита ротора. Возникает вращающий момент, и двигатель приходит во вращение (1-й такт на рис. 5.3). Вместе с ротором поворачивается и СЭ ДПР. При повороте ротора на угол чуть больший 30° СЭ будет воздействовать сразу на два ЧЭ: на "А" и на "В". Это значит, что будут открыты сразу два транзистора: Т_А и Т_В. Ток будет протекать по обеим обмоткам А и В. Появится результирующая НС статора F_АВ, которая повернется на 60° по сравнению с первым положением (2-й такт на рис. 5.3).

Рис. 5.3. Первых 3 такта в работе бесконтактного двигателя постоян-ного тока.

 

 

Эта НС продолжает взаимодействовать  с полем постоянного магнита; двигатель продолжает развивать  вращающий момент.

Когда угол поворота станет чуть больше 90°, транзистор Т_А закроется, ток будет проходить только по обмотке В. Поле ротора будет взаимодействовать только с НС этой обмотки, однако вращающий момент по прежнему будет воздействовать на ротор двигателя и вращать его в том же направлении (3-й такт на рис. 5.3). В конечном итоге двигатель разовьет такую скорость, при которой его момент будет уравновешиваться моментом нагрузки.

Если бы бесконтактный  двигатель имел обмоток, чувствительных элементов и транзисторов столько  же, сколько обычный двигатель  имеет коллекторных пластин, то по своим  свойствам и характеристикам  они ничем бы не отличались друг от друга. Однако увеличение числа элементов  сильно усложняет конструкцию машины. Поэтому в реальных двигателях число  обмоток, а соответственно, и число  чувствительных элементов и транзисторов не превышает 3-4.

Малое число обмоток обусловливает  ряд особенностей работы бесконтактного двигателя постоянного тока.

1. Пульсация вращающего  момента - возникает вследствие скачкообразного перемещения НС статора (см. положения 1,2,3 рис. 5.3). В соответствии с общими законами электромеханического преобразования энергии момент бесконтактного двигателя может быть определен как скалярное произведение магнитного потока ротора и НС взаимодействующих обмоток статора

(5.1)

 

где: с_м - постоянный коэффициент; q - угол между потоком ротора и НС статора.

Так как при вращении двигателя  угол q непрерывно меняется, то и момент двигателя не остается постоянным.

2. Реакция якоря  периодически изменяется, становясь то поперечной, то продольно намагничивающей, то продольно размагничивающей (рис. 5.4). Объясняется это опять-таки скачкообразным перемещением НС статора (якоря). Размагничивающее действие поля статора особенно сильно при пуске двигателя, т.к. при этом противо-ЭДС равна 0, а ток - наибольший. С этим необходимо считаться при выборе постоянных магнитов, стабилизация которых происходит в режиме короткого замыкания.

Рис. 5.4. Реакция якоря в бесконтактном  двигателе постоянного тока

3. Пульсация токов  в обмотках статора и суммарного  тока двигателя объясняется дискретным питанием обмоток (в тот момент, когда открыты два транзистора, потребляемый ток вырастает в два раза по сравнению с режимом, когда открыт только один транзистор).

4. Влияние индуктивности  обмоток статора.В обычном двигателе секции якоря маловитковые, поскольку общее число витков якоря делится на большое число секций. Индуктивность таких секций сравнительно небольшая. В бесконтактном двигателе общее число витков якоря разбивается на 3-4 обмотки (секции). В результате секции получаются многовитковыми, а, следовательно, обладающими большой индуктивностью т.к. L~W²

С учетом ряда допущений уравнение  напряжения для якоря можно записать в виде

     (5.2)

Решая его относительно тока, получим

(5.3)

 

где Т = L/r - электромагнитная постоянная времени.

Выражение перед круглой скобкой  есть ток якоря при отсутствии индуктивности. Тогда

(5.4)

При больших скоростях, когда время  коммутации невелико, ток в обмотках не успевает достигать установившегося  значения. Его эффективное значение становится меньше, чем при L = 0

Вращающий момент прямо пропорционален току якоря, поэтому

(5.5)

 

или

(5.6)

Анализ выражения (5.6) показывает, что  момент имеет две составляющие. Первую - не зависящую от времени. Она равна  моменту при отсутствии индуктивности. Вторую - переменную. Она появляется из-за индуктивности обмоток. Эта  составляющая при всех скоростях имеет отрицательное значение (U > E). Поэтому можно утверждать, что, как и ток, вращающий момент бесконтактного двигателя меньше, чем вращающий момент обычного коллекторного двигателя.

Подставим значение ЭДС Е = с_еnФ в формулу (5.6), получим механическую характеристику бесконтактного двигателя

(5.7)

Выразим эту характеристику в относительных  единицах, приняв за базисный момент пусковой момент (n = 0, U = Uном), а за базисную скорость - скорость холостого хода (М = 0, U = Uном ). Время t = ¥

 

Рис. 5.6. Механические характеристики бесконтактного двигателя постоянного тока при  разных значения α и L: L2 > L1 > 0

 

 

Разделим  обе части уравнения (5.7) на Мп:

(5.8)

Обозначим a = U/U_ном. С учетом n₀ = U/(с_еФ) получим

(5.9)

где n = n/n₀ - относительная скорость двигателя.

На рис. 5.6 показаны механические характеристики бесконтактного двигателя при разных индуктивностях обмоток статора L. Видно, что с увеличением L нелинейность характеристик увеличивается.

Частоту вращения бесконтактных двигателей можно регулировать в широких  пределах путем изменения напряжения питания.

Однако на практике чаше применяется  импульсный способ, сущность которого заключается в изменении не величины постоянно подводимого напряжения, а длительности питания двигателя  номинальным напряжением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Постоянный  электрический ток – это один из важнейших разделов физики. Постоянный электрический ток нашёл применение практически во всех отраслях, так  как подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток. За последние несколько столетий была проделана большая работа в исследовании электрического тока: исследование электрических токов в металлах,  вакууме и газах. Над этим работали великие учёные такие, как Х.Лоренц, П.Друде, К.Рикке, Д.Томсон, С.Л.Мандельштам, Б.Стюарт и другие. Их вклад в науку не измеримо велик.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  используемой литературы:

1.Т.И.Трофимова  -  «Курс физики: учебное издание  для вузов».М: издательский центр  «Академия», 20007г.

2. Б.М.Яворский, Ю.А.Селезнёв «Справочное руководство  по физике». Издательство «Наука», 1989г.

3.И.В.Савельев  – «Курс Физики том II»,М:  «Наука», 1989г.

4.Д.В.Сивухин  – «Общий курс физики»,М: «Наука», 1974г.